1、浙江大學機械與能源工程學院碩士學位論文混合動力液壓挖掘機動力系統研究姓名：謝迪申請學位級別：碩士專業：機械設計及理論指導教師：潘雙夏20080801浙江大學碩士學位論文混合動力液壓挖掘機動力系統研究摘要液壓挖掘機的混合動力技術是降低挖掘機能耗和改善排放的有效技術方案，該領域的研究在國內剛剛起步，本文針對混合動力液壓挖掘機的動力系統展開研究，通過建立動力系統的模型，結合挖掘機工況運用控制策略進行仿真，在理論層面表明混合動力液壓挖掘機相比普通挖掘機在動力系統的工作性能、燃油經濟性等方面的優越性，也體現出液壓挖掘機的混合動力技術研究的重要性以及應用前景。論文主要分為以下幾個部分：（）緒論。介紹了混合

2、動力液壓挖掘機及其動力系統研究的意義，闡述了該領域在國內外研究的情況，并根據目前的研究現狀指出了在混合動力液壓挖掘機動力系統研究方面的不足，說明了本論文開展研究的內容以及重點。（）混合動力液壓挖掘機動力系統布置和參數匹配。通過比較三種混合動力系統布置的結構，結合挖掘機的控制特點確定采用并聯式動力系統結構，并根據混合動力液壓挖掘機動力系統的參數需求匹配了動力單元柴油發動機、電動機和電池組的參數。（）混合動力液壓挖掘機柴油發動機動力學模型研究。引用基于氣缸壓力一曲軸轉速的發動機瞬態動力學模型，依據實際的發動機參數建立混合動力液壓挖掘機柴油發動機動力學模型，為進行動力系統控制策略的研究提供了模型平臺

3、。（）混合動力液壓挖掘機動力系統仿真研究。闡述了混合動力液壓挖掘機動力系統的模型以及負載工況，采用了多工作點控制策略應用于動力系統的控制，并對混合動力液壓挖掘機動力系統模型和普通挖掘機發動機動力系統模型進行仿真對比研究，驗證了運用多工作點控制策略的混合動力系統在工作平穩性、燃油經濟性等方面優于普通挖掘機發動機動力系統。（）混合動力液壓挖掘機試驗臺架設計與搭建。介紹了混合動力液壓挖掘機試驗臺架的組成和系統功能，分別闡述了混合動力源系統部分和液壓模擬加載系統部分的設計情況，并通過圖紙和照片展示了臺架的搭建。關鍵詞：液壓挖掘機混合動力動力系統仿真，：（），（）嘶（），（），浙江大學碩士學位論文混合動

4、力液壓挖掘機動力系統研究，（），：，學號浙江大學研究生學位論文獨創性聲明本人聲明所呈交的學位論文是本人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經發表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得逝鎏盤鱟或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示謝意。學位論文作者簽名：承邊簽字日期：牌月午日學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解逝姿盤鱟有權保留并向國家有關部門或機構送交本論文的復印件和磁盤，允許論文被查閱和借閱。本人授權逝姿盤堂可以將學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫

5、進行檢索和傳播，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存、匯編學位論文。（保密的學位論文在解密后適用本授權書）學位論文作者簽名：纊簽字日期：年哥尹碧日導師簽名簽字日期：口年尹月筍日浙江大學碩士學位論文混合動力液壓挖掘機動力系統研究第一章緒論研究意義混合動力液壓挖掘機研究意義工程機械是國家基礎建設的基本裝備，液壓挖掘機是功能最典型、結構最復雜、用途最廣泛的工程機械之一。它在工業與民用建筑、交通運輸、水利電力工程、礦山采掘以及軍事工程等施工中起著極為重要的作用。高效、節能和機器人化是挖掘機械未來發展的重要特征，而技術融合和集成化是其主要發展方向。隨著國民經濟的高速發展，挖掘機作為快速、高效的施工作業

6、工程機械，其市場需求越來越大。從年開始，我國的挖掘機市場進入了一個較快的發展時期，產銷量增長率自年的、年的、年的，一直到年的、年，不斷攀升。液壓挖掘機市場已經成為我國工程機械市場的“領頭羊。年月我國國產挖掘機銷量達余臺，同比增長。市場占有率最大的整機質量為的機型在年銷量占所有挖掘機銷售總量的，該機型的挖掘機在工程施工中發揮著強大的主力軍作用。隨著工程種類和范圍的不斷拓展，小挖（國內一般定位以下）的用途也越來越廣。目前國內小挖產量僅占挖掘機的左右，但這兩年發展勢頭很猛，各大挖掘機廠家已經或準備強力推出小挖作為新的增長點乜。特別是年，小型挖掘機共銷售了萬多臺，其中包括出口余臺。年的外資企業（含合資

7、、獨資企業）銷售小挖近臺，國有和民營企業共銷售余臺。年國有和民營企業的小挖銷售量約占整個小挖銷售量的以上。挖掘機是存在著很大的市場需求的。同時，挖掘機也是一個巨大的能源需求市場，對于我國這樣一個能源資源緊缺的國家而言也存在著巨大的壓力。因此開發性能先進、可靠、節能效果好的挖掘機系列產品不僅有巨大的市場需求，而且對降低能源消耗、實現可持續發展具有重大現實意義。目前國產挖掘機（不包括三資企業產品）的燃油消耗率為、作業循環時問為、無故障時間、時，而年代國際水平為浙江大學碩士學位論文混合動力液壓挖掘機動力系統研究、作業循環時間為、無故障時間時。國產機的施工成本為元，而國際先進水平為元；，已經研制的混合

8、動力系統液壓挖掘機實驗水平可達：元，排放達到歐標準，可見差距是非常明顯的。普通液壓挖掘機多采用柴油機一液壓系統一多執行器驅動方案，耗油高、排放差，其節能和排放問題已受到業界的廣泛關注。研究表明，由于挖掘機工況負載變化比較頻繁、波動比較大，使得柴油機大多數時間工作在非高效區內，燃料的利用率低下，排放質量較差。因此，改善挖掘機動力源的工作狀況是提高整體系統效率和改善排放質量的一個關鍵問題。采用混合動力技術是降低能量損失和改善排放的有效途徑口?；旌蟿恿κ侵竿ㄟ^不同動力源的聯合工作，使其充分發揮各自的優越性以提高能量的利用率。在液壓挖掘機領域，混合動力是指柴油發動機和電動機聯合驅動。在混合動力系統中，

9、柴油發動機始終工作在高效區，可以有效改善燃油經濟性，降低尾氣排放。因此世界各挖掘機企業都把混合動力液壓挖掘機作為一個主要的發展方向。目前混合動力液壓挖掘機技術的研究在國內才剛剛起步，本課題就是針對挖掘機的這一發展趨勢，開展具有前瞻性的、基于復合動力技術的、高效節能的混合動力挖掘機技術的研究，為研制出具有我國自主知識產權的混合動力挖掘機械提供理論、方法和技術支持。混合動力液壓挖掘機動力系統研究意義要對液壓挖掘機進行混合動力技術方面的研究，并實現高效、節能和低排放的目標，就需要對其動力系統進行深入研究?；旌蟿恿σ簤和诰驒C的動力系統主要是由柴油發動機、電動機、電池組以及動力總成共同組成，其中柴油發動

10、機是主動力源，電動機是輔助動力源。柴油發動機是挖掘機在作業時排放尾氣、消耗能量的動力單元，也是普通挖掘機唯一的動力源，而混合動力技術的應用改變了挖掘機動力源的結構，這種以柴油發動機為主、電動機為輔、電池組回收多余能量并反饋利用的動力系統結構改善了柴油發動機的工作狀況，使其保持工作在高效區，提高了系統工作效率，從而達到降低油耗改善排放質量的目的。如何實現柴油發動機、電動機和挖掘機液壓泵的功率匹配，如何結合挖掘機的實時工況，實現對柴油發動機最佳經濟性能的控制，并平穩高效地與電動機和浙江大學碩士學位論文混合動力液壓挖掘機動力系統研究電池組協調工作，都是混合動力液壓挖掘機重點研究的技術環節，而柴油發動

11、機作為混合動力系統的主動力源，則是需要重點研究的對象。在研究的過程中，需要建立準確的柴油發動機動力學模型，在此平臺基礎上，聯合電動機和電池組模型仿真研究混合動力液壓挖掘機動力系統的最佳經濟性能控制策略，并在試驗臺架上加以驗證，將為混合動力液壓挖掘機的節能研究提供重要的理論及試驗支持和指導意義?？傊钊胙芯炕旌蟿恿σ簤和诰驒C動力系統具有以下意義：（）提高能源利用率，降低燃油消耗。通過采用混合動力技術，實現控制策略，可以改善主動源柴油發動機的工作情況，并依據挖掘機負載工況協調發動機、電動機和電池組工作，使得發動機始終工作在最佳經濟工作區域，預計實現比普通挖掘機節能的目標。（）改善挖掘機的排放性能

12、。通過有效改善發動機的工作狀況，發動機氣缸內燃燒情況也得以改善，提高了發動機的排放質量，達到工程機械國際排放標準。（）提高整機動力系統工作的平穩性。在研究混合動力液壓挖掘機動力系統尤其是發動機的動態輸出性能的基礎上，盡量消除由負載變化引起的系統輸出的轉速震蕩以及扭矩波動，使得整機動力系統工作平穩高效。（）實現發動機油門位置的自動調節，減輕駕駛員的操作強度。在辨識挖掘機的外界工況基礎上，通過實現動力系統的控制策略，自動調節發動機油門位置，切換到預設工作點，保持工作在高效區，省去了駕駛員手動操縱油門位置。研究現狀混合動力液壓挖掘機研究現狀為了進一步提高挖掘機的節能效果，混合動力挖掘機已成為世界各大

13、挖掘機廠家的重點研發產品。在混合動力挖掘機研制上最先起步的是日本，早稻田大學兼佳行等人對應用于挖掘機械的串聯式混合動力系統進行了研究，小松公司于年月率先研制成功世界上第一臺混合動力液壓挖掘機的試驗機型，隨后神戶制鋼和神戶建機階聯合提出了一種混合動力液壓挖掘機系統并對其進行了仿真和試驗研究，其產品已經于年月在展會上展出，并于浙江大學碩士學位論文混合動力液壓挖掘機動力系統研究年月在日本投入試用。此外日立建機陽、卡特皮勒公司也開展了這方面的研究。目前混合動力挖掘機基本處于研制階段，能否得到批量生產和推廣要取決于市場的反應。但從長遠來看，這是一個發展趨勢。而在國內，混合動力液壓挖掘機技術的研究尚處于剛

14、剛起步階段，由浙江大學機械電子控制工程研究所王慶豐教授和機械設計研究所潘雙夏教授率先開展了這方面的研究。目前關于混合動力技術的研究基本上都是針對汽車的¨，研究內容主要包括：一是混合動力系統模式的研究，主要有串聯、并聯及混聯三種動力系統布置模式；其次為混合動力控制策略的研究，對于不同的混合動力模式，控制方法也有所不同。對于混合動力的挖掘機來說，無論在混合動力系統布置模式的選擇上、還是在控制方法上，目前一般都是借鑒了混合動力汽車的技術。同為混合動力驅動的挖掘機與汽車雖然有一定的相似性，但是挖掘機與汽車相比不論在系統結構、還是工作特點上都有較大的差別。相對于汽車，挖掘機的工況更為復雜，外負

15、載的變化幅度更大，變化更加頻繁；其次，汽車的動力只輸出到一個目標物，而挖掘機一般至少要驅動兩個液壓泵，因此在研究動力控制問題時，相比于汽車，挖掘機的動力分配系統不僅包括動力源的分配問題，還包括動力輸出的分配問題；另外挖掘機與汽車的動力傳輸方式不同，汽車的動力源直接驅動機械系統，而挖掘機一般是動力源驅動液壓系統，然后再將液壓能轉化為機械能，因此和汽車相比，挖掘機增加了一個液壓系統，使整機的動力控制系統變得更為復雜。挖掘機與汽車的工作特點、系統結構以及動力傳輸方式等方面都有很大的不同，因此針對挖掘機性能和工作特點深入研究混合動力挖掘機的動力系統布置、控制策略以及能量分配等技術是非常必要的，而該領域

16、的研究在國內剛剛起步?；旌蟿恿σ簤和诰驒C動力系統研究現狀由于混合動力液壓挖掘機在國外尚處于研制階段，并未完全面向市場推廣，而在國內則處于起步階段，因此針對其動力系統及控制策略的研究有待進一步深入。目前混合動力液壓挖掘機動力系統形式采用的是油電混合方式，即借助蓄電池、超級電容等儲能元件，在小負載工況下由柴油機驅動發電機向儲能元件蓄能，浙江大學碩士學位論文混合動力液壓挖掘機動力系統研究在大負載工況下再將儲存的能量釋放出來驅動電機，作為輔助動力與柴油機一起滿足峰值負載功率的要求，或者用電機直接驅動液壓系統，實現柴油機輸出功率和扭矩的均衡控制。這樣，就可以在設計中按照平均負載功率來選擇柴油機，用功率較

17、小的柴油機來驅動大噸位挖掘機，而且柴油機的運行工況平穩，始終處于高效運行狀態，因此能大幅提高燃油效率。油電混合動力的優點是：不但能對發動機輸出扭矩進行均衡控制，使發動機工作點始終位于經濟工作區，而且可以利用電機控制技術，對每一個液壓缸都采用閉式傳動方案，從而取消了多路閥控制，徹底消除閥內的節流損失，同時可以對回轉動能、工作裝置的重力勢能等進行回收。小松、神鋼等公司采用的就是這種方案。這種方式的缺點是：由于能量轉換經歷了柴油機一發電機電動機一液壓泵一液壓缸、液壓馬達等多個環節，能量轉換環節多，導致系統趨于復雜，技術要求也相應提高，如電池壽命、電源轉換效率、重量、可靠性等，都有待進一步提高。此外，

18、油電混合動力使挖掘機動力系統從結構上發生了根本變化，對整個挖掘機制造體系影響較大，從而造成生產成本的上升。在目前的研究中，國內浙江大學的研究者肖清對比分析了串聯式與并聯式混合動力系統的優缺點，提出了基于并聯式動力結構的混合動力液壓挖掘機動力系統，這對我們的研究提供了很好的借鑒作用。肖清同時建立了液壓挖掘機混合動力系統的模型并進行了仿真研究，但其中動力源發動機和電動機的模型是依據特性曲線建立起來的靜態模型，而非動力學模型?；陟o態模型進行動力系統的控制仿真研究是不夠深入的。浙江大學機械設計研究所在工程機械方面的研究一直處于國內前列，尤其是在液壓挖掘機節能技術方面的研究上已取得不少成果。目前機械設

19、計研究所率先在國內開展混合動力液壓挖掘機技術的研究。從其以往的研究來看，針對挖掘機動力系統中發動機的研究不夠深入，僅僅局限于油門控制方面；高峰的的關于液壓挖掘機節能技術的研究中，對于動力系統的研究也主要著眼于發動機的外特性，僅反映其靜態工作特性，而沒有建立起柴油發動機動力學模型，并根據挖掘機外負載深入研究動力系統工作的動態特性以及對油耗和工作平穩性的影響。因此，開展混合動力液壓挖掘機動力系統及控制策略的深入研究仍具有一定浙江大學碩士學位論文混合動力液壓挖掘機動力系統研究的探索性?，F有研究的不足和課題的提出鑒于當前的研究現狀，現有研究的不足主要表現為：（）沒有準確的動力學模型來描述基于負載工況的

20、混合動力液壓挖掘機動力系統的工作狀況和反映其動態性能；（）混合動力液壓挖掘機節能控制策略的研究僅基于動力系統的靜態模型，研究不夠深入，控制的實用性不強。因此，本論文將從上述的不足切入，展開深入的研究。本課題的研究將根據混合動力液壓挖掘機的特點，充分考慮系統的節能效果、工作效率、控制方法的難易程度等因素，建立主動力源柴油發動機的動力學模型，并聯合電動機和電池組模型結合挖掘機工況對動力系統的控制策略進行仿真分析和研究，最終實現系統控制的節能性和平穩性。研究方案與內容根據研究的不足之處和提出的課題，本人開展的研究工作如下：（）根據研究目標，通過分析比較最終確定混合動力液壓挖掘機動力系統布置的方案，匹

21、配動力系統中柴油發動機、電動機和電池組的參數；（）建立詳細準確的混合動力液壓挖掘機柴油發動機動力學模型；（）結合液壓挖掘機工況，聯合發動機、電動機和電池組模型進行動力系統仿真，分析評價仿真結果，探討驗證提出的多工作點控制策略；（）混合動力液壓挖掘機試驗臺架設計及搭建。本論文重點研究的內容包括以下兩方面：（）混合動力液壓挖掘機柴油發動機動力學模型的建立。柴油發動機是混合動力系統的主動力源，建立其詳細的動力學模型是本論文側重研究的方面。本文將依據發動機廠商提供的參數建立基于氣缸壓力一曲軸轉速的柴油發動機動力學模型。（）混合動力液壓挖掘機動力系統模型仿真研究，多工作點控制策略的驗證和分析評價。浙江大

22、學碩士學位論文混合動力液壓挖掘機動力系統研究本論文以作為研究工具支持和建立研究模型，并進行整機仿真及驗證。本章小結本章介紹了混合動力液壓挖掘機及其動力系統研究的意義，闡述了該領域在國內外研究的情況，并根據目前研究現狀指出了在混合動力液壓挖掘機動力系統方面研究的不足，從而引出了本研究課題，說明了本文開展研究的內容以及重點。浙江大學碩士學位論文混合動力液壓挖掘機動力系統研究第二章混合動力液壓挖掘機動力系統布置和參數匹配混合動力液壓挖掘機動力系統布置方案根據提供驅動系統的能量形式不同，目前混合動力系統的動力布置主要有串聯、并聯及混聯三種模式，每種模式分別具有其特點，并且在混合動力汽車上均有相應的應用

23、研究，對于混合動力液壓挖掘機同樣可以采用這三種動力系統布置結構。串聯式動力結構是由發動機、發電機和電動機三部分動力單元通過串聯方式組成的動力系統。在串聯式動力系統中，發動機輸出的動力全部通過發電機發電，其中部分電能通過變流器和逆變器帶動電動機驅動液壓泵運作，而多余的能量則儲存在儲能元件電池中。外負載較小時由電池帶動電動機驅動液壓泵，而外負載較大時改由發動機帶動發電機發電驅動電動機。當挖掘機處于啟動、重載的工況時，發動機、發電機和電池組共同向電動機提供電能；當挖掘機處于怠速、輕載的工況時，則由電池組直接驅動電動機；當電池組缺電時則由發動機一發電機組向電池組充電。串聯式結構可以將發動機調整在最佳工

24、況點附近穩定運轉，并可以根據工況調整電池和電動機的輸出，使發動機避免了怠速和低速運轉的工況，從而提高了發動機的效率，有一定的節能效果，減少了廢氣排放。串聯式結構布置靈活，控制簡單，特別是發電機運行的控制只需根據蓄電池充放電狀態決定發電或停止。但它的缺點是發動機在驅動液壓泵的過程中，經過了機械能一電能一機械能兩次能量轉換，增加了中間環節，系統綜合效率較低。并聯式動力結構是由發動機和電動機共同驅動液壓泵，發動機與電動機是并行的，分屬兩套系統，可以分別獨立地向挖掘機傳動系統提供扭矩，在不同的工況下既可以共同驅動又可以單獨驅動。在并聯式動力系統中，發動機是主動力，電動機是輔助動力，發動機輸出的機械能一

25、部分直接用來驅動液壓泵，多余的機械能則通過電動發電機發電，并經過變流器將能量存儲到電池中。當挖掘機的工況處于重載時，發動機和電動機能夠同時向液壓泵提供動力；當挖掘機處于輕載或行進過程，將僅僅依靠發動機維持工作。電動機既可以作電動機又可以作發電機使用，又稱為電動一發電機組。并聯式結構直接輸出發動機的機械能給液壓泵，減少了能量轉換環節，提高了動力系統的效率，降低能量損失，減少燃油消耗，節能效果好。此外電動機可工作于電動或發電狀態，減少了系統的動力總成。在較大功率要求的場合，兩套系統可以同時驅動，由電動機提供額外功率，而發動機工作于理想的工況區域。并聯式動力結構的缺點是安裝結構較復雜，控制系統較復雜

26、。混聯式動力結構是串并聯的結合，包含了串聯式和并聯式的特點。其動力系統包括發動機、發電機和電動機。根據助力裝置不同，它又分為發動機為主和電機為主兩種。以發動機為主的形式中，發動機作為主動力源，電機為輔助動力源；以電機為主的形式中，發動機作為輔助動力源，電機為主動力源。混聯式結構通過控制離合器的開閉，在不同工況下可以得到串并聯不同的連接方式，使得系統工作更加靈活，提高了系統的綜合性能。但該結構的缺點是控制系統和安裝結構都很復雜，而且初始成本很高。下表將三種動力系統的布置方案進行了綜合比較：表串并混聯式動力結構性能比較耀兮方案組成比較串聯式動力結構（）并聯式動力結構（）混聯式動力結構（）綜合和結構

27、發動機、發電機和驅動電動機三大動力總成控制系統初始成本總體效率排污量安裝結構布置靈活度維護費用電池的使用量較簡單，發動機、電動發電機或驅動電動機兩大動力總成復雜較高高低較復雜低低小特點組成，由發動機、電動發電機和驅動電動機三大動力總成更復雜面一品較高低簡單向更高中等復雜島較高大低較小下面給出了幾種動力系統布置方案的結構示圖：鑫圖（）串聯式動力系統布置方案液壓回路圖（）并聯式動力系統布置方案電地圖（）混聯式動力系統布置方案本研究課題針對混合動力液壓挖掘機的多動力源、多驅動目標的特點，綜合考慮系統的節能效果、工作效率、復雜程度、系統成本、控制方法的難易程度、以及安裝方便等問題，最終選擇并聯式動力結

28、構作為我們混合動力液壓挖掘機動力系統的布置方案。針對混合動力液壓挖掘機并聯式動力系統布置方案，并根據挖掘機的工作情況，包括對挖掘機工作速度的要求及外部負載狀況，我們將建立混合動力液壓挖掘機試驗平臺，對其動力系統總成控制策略方案進行深入研究，以達到挖掘機整機節能性與工作效率的最佳綜合效果，并盡可能提高電池組的使用壽命，降低系統成本。試驗平臺將模擬噸的液壓挖掘機，則動力系統的主要技術參數是：額定功率，額定轉速。動力系統是由柴油發動機、電動機和電池組三大動力單元組成，系統總功率將在發動機和電動機問進行分配。下面將分別對每個動力單元的參數進行匹配。混合動力液壓挖掘機動力系統參數匹配柴油發動機參數匹配柴

29、油發動機是工程機械采用的最主要的動力裝置。根據我們的研究目標，混合動力液壓挖掘機柴油發動機需要采用的基本參數是標定轉速下功率為左右，并且協同電動機運作。在收集整理并對比研究各種用于工程機械的柴油發動機參數資料基礎上，綜合考慮經濟性、參數匹配等因素，最終采用常柴型柴油發動機應用于混合動力液壓挖掘機動力系統上。下表是國內外各種工程機械用柴油發動機的主要參數對比：表國內外工程機械用柴油發動機參數比對發動機發動機型號型式外形尺寸（長，寬木高）（）凈重（）動力性指標額定功率轉速（）經濟性指標燃油消耗率（）捧放指標最大扭矩轉速（）價格（肥）商缸直列水冷常柴四沖程缸直列水冷四沖程木車帕金斯道依茨缸直列水冷四

30、沖程阜術歐（渦流）缸直列油冷四沖程宰木歐一缸商列水冷木木洋馬四沖程缸直列水冷網沖程木幸缸直列水冷木木（）新昌四沖程缸直列水冷四沖程（）選用的常柴型柴油發動機的主要技術參數如下：表常柴型柴油發動機主要技術參數型號型式燃燒室型式缸直列水冷四沖程直噴缸徑（）行程（咖）活塞總排量（）壓縮比氣缸工作順序標定功率轉速（）最大扭矩（）燃油消耗率（）標定功率標定轉速：外特性最低點：最高空車轉速（）：空車最低穩定轉速（）：冷卻方式凈質量（）外彤尺寸長寬高（）強制水冷發動機配置：發電機，內置調節器；水溫傳感器，水溫報警器度；機油壓力傳感器，機油壓力報警器；轉速傳感器留接口，帶空氣加熱器（便于冬天啟動）；發動機水箱

31、；發動機消音器；發動機空氣濾清器。柴油發動機的工作特性：柴油發動機隨著外界工況的不同，它所發出的功率，扭矩和燃料消耗率艫等也是不斷變化的。這些性能指標隨工況而變化的關系被成為柴油發動機的工作特性。通過發動機廠商提供的發動機性能曲線，研究發動機的工作特性，可以鑒定發動機的動力性和經濟性，并能提高發動機的工作性能。柴油發動機的工作特性町包括以下幾種：（）負荷特性當轉速不變時，柴油發動機每小時燃料消耗量和燃料消耗率等性能參數隨負荷（平均有效壓力只或外負載扭矩互）變化而變化的關系。該特性曲線能清楚地反映出柴油發動機轉速一定時，負荷變化與燃油消耗的關系。（）速度特性當柴油發動機供油機構位置（齒條或操縱手

32、柄）一定時，柴油發動機性輸出扭矩、功率融、每小時燃料消耗量丁和燃料消耗率穢等性能參數隨轉速變化的關系，稱為柴油發動機的速度特性。當供油機構限制在標定功率位置時，測得的速度特性為全負荷速度特性或外特性。當供油機構限制在標定功率以下各位置時，所測得的速度特性稱為部分負荷速度特性。部分負荷速度特性曲線有無數條，一般柴油發動機廠商只給出外特性曲線。（）萬有特性速度特性和負荷特性的各種曲線只能表達兩個參數之間的關系，不能全面表示發動機性能，而萬有特性則能表示三個或三個以上參數之間的關系。一般以柴油發動機轉速為橫坐標、輸出扭矩（或平均有效壓力）為縱坐標，作出若干條等燃料消耗率船曲線和等功率曲線盹，構成一系

33、列的曲線族，稱為萬有特性曲線。它可以表示各種轉速、各種負荷下的燃料經濟性。從萬有特性曲線上可以看出，柴油發動機在每一個功率值下都有一個最經濟工作點，就是等功率曲線和等耗油率曲線的切點。如果將所有功率下的最經濟工作點連起來，就形成了一條經濟工作曲線。無論柴油機輸出功率是多少，只要工作點位于經濟工作曲線附近，其燃油在此功率下的利用率就高，此即柴油發動機節能控制的理論依據。一盤邑詈旦圖常柴型柴油發動機萬有特性曲線（）調速特性在不同的調速手柄位置上，柴油發動機轉速與負載轉矩等參數間的關系被稱為調速特性，也是一系列的曲線族。柴油發動機加裝不同的調速器后具有不同的調速特性。工程機械用柴油機采用全速調速器。

34、在任何速度工況下，供油量由調速器自動控制，以保持速度的恒定。電動機參數匹配混合動力系統的電動機主要有直流電機驅動系統和交流電機驅動系統，兩者在混合動力汽車上均有應用，但直流電機驅動系統在混合動力系統上的應用遠不及交流驅動系統普遍，以下將對各種類型的驅動電機的性能進行比較：表驅動電機優缺點比較直流電機（）控制簡單，只用電異步電機（）永磁同步電機（）開關磁阻電機（）結構簡單，造價低廉，可高速運行，調速范圍大，轉動慣量小，維護簡單，技術成熟體積小，重量輕，功率密度大，低速輸出轉矩大，效率高，維護簡單結構簡單、牢固，優點壓控制，不需檢測磁極位置，小容量系統、造價低有整流電刷，結構復雜，不適合高速、效率

35、高，起動轉矩大，價格低，免維護控制復雜，容量小時效率降低，制動困難高速運行較復雜，需檢測轉子磁極位置，永磁體有退磁噪音大，輸出轉矩脈動大缺點大轉矩運行，效率低，環境適應性差，維護難，容量增大時造價大幅增加且制造困難問題，造價較高遮電機類型交流異步電機有刷直流電機永磁同步電機包表驅動電機綜合特性比較機械特性軟軟過載能力可平穩性較差易較好控性難噪女電磁干擾小嚴維修性能易難壽命體積效率成尸本低小大大較大大小長短大較小小低一重小局較向括無刷直流電機硬易好易長兩較局通過對各種類型的電動機的特點和綜合特性的比較，并結合混合動力液壓挖掘機動力系統的需求，我們最終采用永磁同步伺服電動機。根據混合動力液壓挖掘機

36、試驗平臺動力系統的參數和性能要求，我們定制了一臺額定功率，母線額定電壓的永磁同步電動機，其結構扁平，直接聯接安裝于發動機上，是專門用于混合動力系統的電動機。以下列出了該永磁同步電動機的主要技術參數口：浙江大學碩士學位論文混合動力液壓挖掘機動力系統研究表采用的永磁同步電動機技術參數直流母線額定電壓直流母線電壓范圍持續工作區電機持續功率（電動工作制）基速至電動最高工作轉速（一）倍基速電機持續轉矩（電動工作制）電機基速電機電動方式轉速范圍電機發電方式轉速范圍電機及其控制系統最高效率基速點處電機電動發電峰值功率最高工作轉速點電機電動發電峰值功率峰值工作區，（），（）基速點處電機電動發電峰值轉矩堵轉轉矩

37、電機最大轉速，（）堵轉時間主回路輸入電源最大允許放電電流（）主回路輸入電源最大允許充電電流（）工作環境工作環境溫度范圍冷卻方式工作環境濕度范圍一自然風冷永磁同步電動機的特性：永磁同步電動機一般分為兩類：一類是用正弦波電流供電的正弦波永磁同步電機，簡稱；一類是采用方波電流供電的無刷直流電機，簡稱。前者轉矩更為平穩，控制特性更加平滑，后者功率密度更大。我們混合動力系統上采用的是前者。同其他控制系統相比，永磁同步電動機具有以下特性洶：（）高性能永磁材料提供勵磁，給定功率下體積可以減??；（）轉子無勵磁繞組，故無轉子銅耗，因而效率較高；（）轉子轉動慣量較小，因而動態性能好；（）低轉速下，其具有較高的效率

38、和大的輸出扭矩；（）省去了滑環和電刷，提高了電機的可靠性。對于混合動力的電動機控制系統而言，在輸出同樣功率的情況下的體積盡可能小，所以電機的功率密度是選型的重要指標。在這方面，永磁同步電機體積小、重量輕、功率密度高，有較大的優勢?，F有的永磁同步電機功率密度可以達到或超過，高于感應電機?；旌蟿恿σ簤和诰驒C在不同工況下工作時，需要低速下可以產生大扭矩，這正是永磁同步電機的優點。混合動力中特殊的外轉子結構使得永磁體有著良好的散熱能力，這樣就克服了永磁體高溫退磁的缺陷。下面給出了我們采用的永磁同步電動機的外特性曲線：圖（）電動機在下驅動模式外特性曲線（）圖（）電動機在下發電模式外特性曲線電池組參數匹配

39、理想的儲能裝置應具有高比能量、高比功率、高充電速度、使用壽命長和成本低廉等特點，但目前尚無儲能裝置同時具備上述特點。因而，應用于混合動力系統的可供選擇的儲能裝置較多，如飛輪電池，超級電容和電化學電池等。飛輪電池比能量和比功率均很高，但飛輪電池的材料和磁懸浮軸承以及成本等問題是飛輪電池實用化的障礙。超級電容比功率較高，充電速度很快，但比能量過低是其致命的弱點，而且其在實際的應用中不夠成熟，應用成本較高。綜合考量各方面指標，現階段相對成熟的混合動力系統儲能裝置當數電化學電池中的鉛酸電池、鎳氫電池和鋰離子電池。鎳氫電池相對于鉛酸電池，其比能量高，使用壽命長；相比于鋰電池，后者控制要求高，安全性能較差

40、，在動力源領域不具可行性。我們選擇春蘭的鎳氫電池作為混合動力液壓挖掘機動力系統的儲能裝置，下面列出了春蘭高功率型鎳氫電池的型號及對應的性能參數乜¨。表春蘭高功率鎳氫電池性能參數電池型號春蘭高功率型金屬氫化物鎳蓄電池標稱容量標稱電壓尺寸（高術寬宰厚）重量質量比功率循環壽命（次）電池型號春蘭高功率型金屬氫化物鎳蓄電池木車水標稱容量標稱電壓術木尺寸鋤（高術寬豐厚）重量質量比功率木木循環壽命（次）春蘭動力鎳氫電池主要的特點如下：（）能量密度高重量比能量最高可達，將來隨著材料的進步還會更高，為鉛酸電池的倍，體積比能量與鋰離子電池相當，目前最高研究水平達到。（）功率密度高大電流放電性能好，放電容

41、量可達額定容量的以上。目前在混合動力車輛上使用的均為動力鎳氫電池。（）循環壽命長目前應用在電動車上的大容量動力鎳氫電池，循環可以達次以上，為鉛酸電池的倍以上。循環壽命也在次以上。（）快充特性佳目前應用在電動車上的大容量動力鎳氫電池，充電可以達到的容量，之內可以達。（）無污染不含鉛、鎘等對人體有害的金屬，為二十一世紀“綠色環保電源”。（）密封、免維護正常使用過程中不需進行維護，也無任何物質泄出。（）耐過充過放（）無記憶效應（）使用溫度范圍寬正常使用溫度范圍一；貯存溫度范圍一。（）安全、可靠短路、擠壓、針刺、安全閥工作能力、跌落、加熱、耐振動、循環壽命等安全性、可靠性試驗無爆炸、燃燒現象。根據我們

42、的研究目標，在滿足電動機的功率，并能吸收發動機的多余功率，充分考慮電池的經濟性、使用性能等因素，我們選擇春蘭型號鎳氫電池，并由個電池串聯組成電池組，標稱容量，電壓。鎳氫電池的電特性：鎳氫電池的電特性陋兒矧包括端電壓特性、電池容量特性以及電池效率特性。（）端電壓特性端電壓特性即電池端電壓與放電電流和電池容量之間函數關系，嚴格來講，電池的工作溫度也是端電匿函數的自變量，這一函數關系可以表示為：（，?。ǎ┢渲校弘姵囟穗妷?，單位；，放電電流，單位；舳電池電量狀態；丁電池工作溫度，單位。在溫度一定時，電池端電壓與電池的同樣呈較好的線性關系。在同樣的電池下，相對較高電池工作溫度會導致電池端電壓相對較低，

43、亦即適當的工作溫度有助于提高電池的容量。（）電池容量特性電池容量特性是指電池容量與放電電流或充電電流的函數關系。嚴格意義上講，電池的容量不但與電流有關，還與電池的工作溫度有關：溫度降低會導致容量減小。由于一般試驗條件下電池的工作溫度不會有較大幅度的變化，對電池容量的影響可忽略不計。因此，電池的容量特性可用下列函數關系表示：（，）（）其中：一電池容量，單位；放電或充電電流，單位。電池容量隨著充電電流或放電電流的增大而大幅下降，表明在大功率放電或充電時，電池放出或接受電量的能力下降。（）電池效率特性電池的效率特性指的是電池的效率與電池和電池工作溫度二者的函數關系。由于電池等效內阻是直接反映電池效率

44、物理量，因此，電池的效率特性也可以是電池等效內阻與電池和電池工作溫度二者的函數關系：（，）（）其中：卜電池等效內阻，單位；如一電池電量狀態；卜電池工作溫度，單位。電池充電等效內阻隨電池工作溫度的升高而減小，充電效率隨電池工作溫度的升高有所提高，但這不表示為了讓電池高效充電可以無限制的提高電池的工作溫度；電池在區間變化時，電池等效內阻經歷一個由大變小再變大的過程，電池處于中等電量狀態時充電效率最高。電池放電等效內阻隨電池工作溫度的升高也隨著減小，放電效率隨電池工作溫度的升高而有所提高；電池在區間變化時，電池等效內阻經歷一個由大變小過程，電池處于大電量狀態時放電效率最高。本章小結本章比較了三種混合動力系統布置的結構，結合挖掘機的控制特點確定采用并聯式動力系統結構，并根據設計的混合動力液壓挖掘機動力系統的參數需求匹配了動力單元柴油發動機、電動機和電池組的參數，介紹了動力單元的工作特性。第三章混合動力液壓挖掘機柴油發動機動力學模型研究混合動力液壓挖掘機柴油發動機動力學模型建立的理論依據和原理模型建立的理論依據發動機是非線性慣性系統，其動力學模型一直是學者重點研究的對象。面向控制系統的發動機動力學模型可劃分為兩種：均值模型和瞬態模型。學者在建立發動機控制系統的動力學模型時，通常較多采用均值模型。